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- 우주 팽창과 마이크로파 배경의 냉각은 선형적으로 관련
- 방사선 방출 직후에 온도 계속 측정하면 우주 팽창 속도 알 수 있다.
- 가장 강력한 전파 망원경인 프랑스 알프스의 NOEMA를 사용
- 빅뱅 이후 8억 8000만 년 동안 우주론 모델이 예측한 20 켈빈 온도와 일치

우주 최초의 온도 측정
빅뱅 후 8억 8천만 년 만에 배경 복사열 감지

천문학자들이 우주 초기에 우주 배경 복사가 얼마나 빨리 냉각되었는지 알아냈다.
그들의 온도 측정은 빅뱅 이후 불과 8억 8천만 년 전으로 거슬러 올라간다. 약 20 켈빈의 결정된 값은 모델과 잘 일치하므로 우주 팽창과 여전히 신비한 암흑 에너지의 행동에 대한 결론을 내릴 수 있다. 

▲ 8억 8천만 년 전 차가운 수소 구름을 통해 우주 배경 복사가 비쳤을 때 스펙트럼에 흡수선을 남겼다. 그리고 그것들은 그 시점의 복사 온도를 나타낸다. © ESA/ Planck Collaboration, Dominik Riechers/ 쾰른 대학교

빅뱅 후 약 38만 년 후, 젊은 우주는 결정적인 변화를 겪었다.
처음으로 원자가 형성되고 방사선이 자유롭게 퍼질 수 있을 정도로 냉각되었다.

첫 번째 빛이 빛났다. 우주의 팽창으로 인해 이 빛은 마이크로파 복사로 확장됐으며 이제 우주 마이크로파 배경으로 측정될 수 있다. 그것은 우주 초기의 구조와 과정에 대한 귀중한 정보를 제공한다.

냉각과 팽창의 관련성

이러한 근본적인 질문 중 하나는 젊은 우주가 팽창하는 속도다.
이것은 무엇보다도 우리의 우주론적 모델이 올바른지 밝힐 수 있다. 이것에 따르면 암흑 에너지는 우주의 가속 팽창의 원동력이다. 그것이 어떻게 작동하고 항상 동일하게 유지되는지 아직 알려지지 않았다.

제1 저자인 쾰른 대학(University of Cologne)의 도미니크 리처스(Dominik Riechers)는 "예상된 경향과 편차가 있는 경우 파악하기 어려운 암흑 에너지의 특성에 대한 결론을 도출할 수 있다"고 설명했다.

이것은 배경 방사선이 작용하는 곳이다. 우주 팽창과 마이크로파 배경의 냉각은 선형적으로 관련돼 있기 때문이다. 방사선이 방출된 직후에 온도를 계속해서 측정하면 우주 팽창이 얼마나 빨리 일어났는지 알 수 있다. 이것을 바로 리처스가 이끄는 연구팀이 지금 성공시킨 것이다. 지금까지 가장 빠른 시간에 배경 복사의 온도를 측정했다.

▲ 우주 배경 복사는 얼마나 빨리 식었을까? © MPIA / Planck, D. Riechers / 쾰른 대학교

측정 보조 도구로서의 차가운 수소 구름

이 우주 온도 측정을 위해 천문학자들은 북반구에서 가장 강력한 전파 망원경인 프랑스 알프스의 NOEMA(Northern Extended Millimeter Array)를 사용했다. 그들은 그것을 사용하여 약 130억 광년 떨어진 은하 HFLS3의 차가운 수증기 구름을 목표로 삼았다. 차가운 구름은 우주 배경 복사에 일종의 그림자를 드리우고 복사의 빛 스펙트럼에 흡수선을 남긴다.

이 스펙트럼 라인은 에너지 함량에 대한 정보를 제공하므로 빅뱅 이후 약 8억 8천만 년의 시간에 배경 복사의 온도가 된다. 우주 마이크로파 배경의 온도가 우주에서 이렇게 초기에 측정된 것은 처음이다.

온도 확인 모델

측정 결과:
초기 단계에서 우주 배경 복사의 온도는 16.4 ~ 30.2 켈빈이었다.
이것은 빅뱅 이후 8억 8000만 년 동안 우주론 모델이 예측한 20 켈빈 온도와 일치한다고 팀은 설명했다. 방출된 이후로 이 방사선은 약 1,000배 정도 냉각되었다. 그럼에도 불구하고 그 당시 기온은 현재의 2.728 켈빈보다 약 10배 더 따뜻했다.

공저자인 막스 플랑크 연구소(Max Planck Institute)의 악셀 바이스(Axel Weiß)는 "이것은 이전에 가능했던 것보다 훨씬 더 이른 시대에 대한 예상 냉각 추세를 확인하는 중요한 이정표일 뿐만 아니라 파악하기 어려운 암흑 에너지의 특성에 직접적인 영향을 미칠 수 있다"고 말했다. Bonn의 전파 천문학을 위해. "우리는 암흑 에너지 밀도가 변하지 않는 팽창하는 우주를 보고 있다.“

▲ 북부 확장 밀리미터 배열의 망원경. © IRAM / A. Rambaud

암흑 에너지에 대한 가설 반박

따라서 새로운 측정은 암흑 에너지의 행동에 대한 몇 가지 가설을 배제한다.
이에 따르면 암흑 에너지는 시간이 지남에 따라 "쇠퇴"하여 에너지 함량의 일부를 우주의 정상 물질과 방사선으로 전달할 수 있다. 그러나 만약 그렇다면 우주 배경 복사의 냉각을 늦춰야 할 것이다. 암흑 물질에 대한 일부 가설에도 동일하게 적용되며, 이에 따르면 가벼운 액시온 형태의 암흑 물질 입자도 냉각에 영향을 미친다.

현재 측정된 온도가 고전 모델에 의해 예측된 온도와 상당히 일치한다는 사실은 이러한 가설에 반하는 것이다. 천문학자 팀에게 이것은 시작에 불과하다. 이제 그들은 차가운 수소 구름이 있는 다른 초기 은하를 찾고 우주 초기부터 더 많은 측정값을 얻기를 희망한다.
(nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-021-04294-5)
출처: 쾰른 대학교 막스 플랑크 천문학 연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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